電工電子課程設(shè)計(jì)

1、課題名稱_八路搶答器_所在院系_班 級(jí)_ _學(xué) 號(hào)_ _姓 名_ _指導(dǎo)老師_時(shí) 間_科技藝術(shù)學(xué)院工程系電工電子課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓名： 班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 年 月 日題 目：八路搶答器的設(shè)計(jì)課題的任務(wù)和要求1. 搶答器同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕S0S7表示。2. 設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。3. 搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響提示。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。4. 搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主

2、持人啟動(dòng)"開始"鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間0.5秒左右。5. 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。6. 如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。設(shè)計(jì)步驟1、查閱相關(guān)資料；2、總體方案設(shè)計(jì)與論證；3、單元電路的設(shè)計(jì)；4、元器件選擇與參數(shù)計(jì)算；5、繪制原理圖（A4號(hào)圖紙，計(jì)算機(jī)繪圖）；6、撰寫設(shè)計(jì)說明書（A4號(hào)紙打?。?，字?jǐn)?shù)不少于2000；7、參考文獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1、歐陽星明主編.數(shù)字邏輯（第二版）.武漢：華中理

3、工大學(xué)出版社，20052、康華光等編.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第四版）.北京:高等教育出版社，20003、閻石等編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.北京:高等教育出版社，19984、秦增煌等編.電工學(xué)（第七版上下）.北京:高等教育出版社，20095、胡國慶等編.電工電子實(shí)踐教程.北京:清華大學(xué)出版社，2007教研室主任簽字： 年 月 日目   錄1. 引 言2. 方案設(shè)計(jì) 2.1 搶答器要求 2.2 總體設(shè)計(jì)方案3. 單元電路設(shè)計(jì) 3.1 開關(guān)陣列電路 3.2 數(shù)碼顯示電路 3.3 搶答器電路 3.4 譯碼器電路 3.5 定時(shí)器電路 3.6 計(jì)數(shù)器電路 3.

4、7 報(bào)警發(fā)聲電路4. 總體電路設(shè)計(jì) 4.1 搶答電路 4.2 定時(shí)電路 4.3 報(bào)警電路5. 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 6. 實(shí)驗(yàn)器材清單 7. 總電路原理圖 8. 參考文獻(xiàn)引 言 在當(dāng)今社會(huì)越來越來多的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的日常生活中，有些公眾場(chǎng)合在舉辦各種智力競(jìng)賽時(shí),搶答器是必要的活動(dòng)設(shè)備。我們都看過以前舉行的各種競(jìng)賽。在搶答的環(huán)節(jié)中，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會(huì)因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性。人們于是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來規(guī)范比賽。因此，為了克服這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計(jì)出很多的搶答器，從最初的簡單搶

5、答按鈕，到后來的顯示選手號(hào)的搶答器，再到現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在一天的趨于完善不但可以用來倒計(jì)時(shí)搶答，還兼具報(bào)警，計(jì)分顯示等等功能，有了這些更準(zhǔn)確地儀器使得我們的競(jìng)賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。  今天隨著科技的不斷進(jìn)步搶答器的制作也更加追求精益求精，隨著數(shù)字電路的發(fā)展，數(shù)字搶答器誕生了，它易于擴(kuò)展，可靠性好，集成度高，而且費(fèi)用低，功能更加多樣化，是一種高效能的產(chǎn)品。而如今在市場(chǎng)上銷售的搶答器大多采用可編程邏輯元器件，或利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)主要利用常見的74LS系列集成電路芯片和555芯片，完成了八路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)。 2 方案設(shè)計(jì)2.1 搶答

6、器要求1. 搶答器同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕S0S7表示。 2. 設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。 3. 搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在LED 數(shù)碼管上顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響提示。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。4. 搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主持人啟動(dòng)"開始"鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間0.5秒左右。5. 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示

7、器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。6. 如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。2.2 總體設(shè)計(jì)方案 如圖1所示為總體原理方框圖。其工作原理為：  1.接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于靜止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器和指示燈滅。等主持人將開關(guān)置“開始”位置后，啟動(dòng)控制電路，搶答器處于等候狀態(tài)。此時(shí)間可以進(jìn)行搶答。  2.答題者通過按搶答按鈕來搶答題目，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)首先搶答到時(shí)，搶答完成。優(yōu)先編碼電路通過優(yōu)先判斷搶答的組號(hào)，通過導(dǎo)線然后在傳遞到譯碼電路將該答題者的編號(hào)顯示在七段數(shù)碼管上。并且此時(shí)控制電

8、路將信號(hào)傳遞給定時(shí)電路，定時(shí)電路將開始對(duì)預(yù)先定時(shí)好的時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)間完畢后，定時(shí)電路收到時(shí)間脈沖，進(jìn)而反饋到控制電路。通過控制電路啟動(dòng)報(bào)警電路揚(yáng)聲器發(fā)聲，答題時(shí)間完成。 3.當(dāng)主持人按下開始按鈕后，此時(shí)定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)。如果在規(guī)定時(shí)間里還沒有答題者按下?lián)尨鸢粹o，則定時(shí)器將信號(hào)傳遞到控制電路?？刂齐娐方邮艿絹碜远〞r(shí)電路的信號(hào)后，答題系統(tǒng)關(guān)閉。并且，同時(shí)控制電路通過導(dǎo)線將信號(hào)傳遞到報(bào)警系統(tǒng)，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。 4.每一次搶答完成后，如果比賽還在進(jìn)行，就需要再次搶答。如果再次搶答時(shí)，就需要搶答系統(tǒng)清零。也就是說主持人通過手動(dòng)操作“清除”和“開始”狀態(tài)的開關(guān)，完成清零開始工作。原理框圖圖13

9、 單元電路設(shè)計(jì)3.1開關(guān)陣列電路   如圖2所示，該電路由多路開關(guān)所組成，供搶答著使用。每一搶答者與一個(gè)開關(guān)代號(hào)S0S7相對(duì)應(yīng)，即一一對(duì)應(yīng)搶答者的組號(hào)，便于主持人看到顯示器上的數(shù)字后，能準(zhǔn)確宣布誰是優(yōu)先搶答者。由于搶答者需要多次搶答，所以開關(guān)應(yīng)為常開型，當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，開關(guān)閉合；當(dāng)松開開關(guān)時(shí)，開關(guān)自動(dòng)彈出斷開。多路開關(guān)圖圖2 3.2 數(shù)碼顯示電路 LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，它分為共陰管和共陽管。本設(shè)計(jì)只對(duì)共陰管作介紹，其電路和出線形式的引出腳如圖3所示。一個(gè)LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進(jìn)制數(shù)和。每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙

10、色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在510mA。數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管（ LED ）數(shù)碼管和液晶（ LCD ）數(shù)碼管。本設(shè)計(jì)提供的為 LED 數(shù)碼管。因?yàn)橐粋€(gè)該數(shù)碼管可以顯示10個(gè)數(shù)字，所以一個(gè)數(shù)碼管完全可以滿足八路搶答器的設(shè)計(jì)要求。通過該數(shù)碼管可以顯示最先搶答者的相應(yīng)的代號(hào)，方便主持人快速知道并宣布最先搶答者。LED數(shù)碼管圖3 3.3 搶答電路 在搶答器中能夠?qū)崿F(xiàn)搶答功能的最重要的芯片就是74LS175型上升沿D觸發(fā)器，它能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)先搶答這一功能， 其引腳如圖4所示，但是1個(gè)74LS175芯片只能夠

11、實(shí)現(xiàn)4人搶答的功能。而本次設(shè)計(jì)及是需要設(shè)計(jì)八路搶答功能，所以本設(shè)計(jì)通過串聯(lián)兩個(gè)74LS175來實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖5所示。通過串聯(lián)兩個(gè)74LS175很容易得到的真值表如圖6所示。74LS175型四上升沿D觸發(fā)器圖4搶答電路圖5 2個(gè)優(yōu)先編碼器74LS175串聯(lián)功能表圖63.4譯碼電路 通過譯碼電路第一可以將搶答者譯碼出來，第二可以將時(shí)間譯碼出來傳遞到LED數(shù)碼管。而譯碼的主要芯片就是74LS48。如圖7所示，本次電路設(shè)計(jì)中選用的譯碼器型號(hào)是74LS48（共陰），其引腳排列如圖8所示，其中A3、A2、A1、A0輸入端，Ya、Yb、Yc、Yd、Ye、Yf、Yg譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動(dòng)

12、共陰極LED數(shù)碼管。 其真值表如圖9所示。   圖774LS48引腳圖圖874LS48真值表圖93.5 定時(shí)器電路 由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)間，該搶答時(shí)間就需要555定時(shí)器來進(jìn)行定時(shí)。555定時(shí)器是一種數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛通過其外部不同的連接就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。 多諧振蕩器也稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)無需外加觸發(fā)脈沖，就能夠輸出一定頻率的矩形脈沖。555定時(shí)器電路如圖10所示。555定時(shí)器基本組成是：含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)由與非門組成的基本基本RS觸發(fā)器、一個(gè)與門

13、、一個(gè)非門、一個(gè)放電晶體管T。2為低電平觸發(fā)端、6為高電平觸發(fā)端、4為復(fù)位端、5為電壓控制端、7為放電端，3為輸出端、8為電源端、1為接地端。555定時(shí)器的工作原理說明表如圖11所示。555定時(shí)器圖10555定時(shí)器工作原理表圖113.6 計(jì)數(shù)電路555定時(shí)器要實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)的功能就還需要一個(gè)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器電路中最重要的就是需要一個(gè)能夠進(jìn)行加減計(jì)算的芯片。通過這種芯片來組裝成定時(shí)電路。74LS192十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器完全可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。74LS192將信號(hào)傳遞到74LS48,74LS48譯碼電路將信號(hào)譯碼出來，并且通過導(dǎo)線將信號(hào)傳遞到LED數(shù)碼顯示器，如圖12所示。圖12中引腳11為清零端

14、，引腳13為置數(shù)端、引腳5為加計(jì)數(shù)器、4為減計(jì)數(shù)器。其功能圖如圖13所示計(jì)數(shù)電路圖1274LS192功能表圖133.7 報(bào)警發(fā)聲電路  揚(yáng)聲器可以構(gòu)成一個(gè)簡易的報(bào)警電路。當(dāng)定時(shí)器運(yùn)行到預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)開路，揚(yáng)聲器發(fā)聲。電路圖如圖13所示。 該揚(yáng)聲器和一個(gè)3DG100三極管就可以構(gòu)成一個(gè)簡單的發(fā)聲電路報(bào)警電路圖134 總體電路設(shè)計(jì) 4.1搶答電路 搶答器電路如圖14所示。該電路主要由 74LS175、74LS148、74LS30、與非門、電阻和LED數(shù)碼管等組成。74LS175型四上升沿D觸發(fā)器，它的清零端R和時(shí)鐘脈沖cp是四個(gè)D觸發(fā)器供用的。通過兩個(gè)7

15、4LS175串聯(lián)從而達(dá)到八輸入的效果。該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)；二是禁止其他選手按鍵操作無效。搶答前先清零，數(shù)碼顯示器關(guān)閉。 工作過程：搶答前先清零，即開關(guān)S置于“清除”端時(shí)，使74LS14175處于等待工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于“開始”時(shí)，搶答器處于工作狀態(tài)。搶答開始當(dāng)有搶答者將按鍵按下時(shí)（如按下S1），D1和Q1均變?yōu)?。此時(shí)將該搶答者的搶答信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)線傳遞到譯碼電路。譯碼電路將該搶答者的信號(hào)譯碼顯示出來，并且將顯示出來的選手信號(hào)通過導(dǎo)線傳遞到LED數(shù)碼顯示管。此時(shí)LED數(shù)碼顯示管顯示出相應(yīng)的選手號(hào)碼。以此同時(shí)，封鎖其他按鍵的輸入。其它選手就未能夠

16、顯示出來。當(dāng)按鍵松開時(shí)，74LS14175仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置于“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。  優(yōu)先判決器主要是由2片74LS175集成優(yōu)先編碼器串聯(lián)組成。該組合編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端，選通輸入端ST，選通輸出端SY和擴(kuò)展端EXY。其功能表如表2所示。從功能表中可以看出當(dāng)R“0”時(shí)，編碼器工作，而當(dāng)R“1”時(shí)，則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài)，輸出端均為“1”， 編碼器處于非工作狀態(tài),這種情況被稱為輸入低電平有效。 搶答器電路圖14 4.2定時(shí)電路 定時(shí)電路如圖15所示，該部分主要由5

17、55定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和2個(gè)7段數(shù)碼顯示管和相關(guān)電路組成。兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)間，通過預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，控制報(bào)警電路報(bào)警，

18、同時(shí)以后選手搶答無效。 定時(shí)電路圖154.3 報(bào)警電路  由于在搶答過程中，當(dāng)在規(guī)定時(shí)間沒有人搶答時(shí)就需要該搶答器有一個(gè)報(bào)警提示作用。當(dāng)定時(shí)器運(yùn)行到預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)開路，揚(yáng)聲器發(fā)聲。電路圖如圖16所示。該報(bào)警電路由一個(gè)3DG100三極管和一個(gè)電阻及一個(gè)與非門芯片組成。與非門芯片兩端一段接555定時(shí)器電路，另一段接74LS30的輸出端。從而達(dá)到報(bào)警作用報(bào)警電路圖165 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 通過這周的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)數(shù)字電路有了進(jìn)一步的了解。在設(shè)計(jì)搶答器、報(bào)警器、定時(shí)器的過程中，通過翻閱資料，上網(wǎng)搜索等，我對(duì)各電路器件（如：與非門，74LS系列，555定時(shí)器和LED顯像管等）及原理有了更深一層次的認(rèn)識(shí)。 在設(shè)計(jì)的過程中，遇到了很多的實(shí)際問題，有一些知識(shí)甚至都不懂。但是通過這些問題，讓我有針對(duì)性的把電工電子方面不懂得的知識(shí)系統(tǒng)的學(xué)了一遍。在此要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝老師給我這樣的機(jī)會(huì)鍛煉。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中我學(xué)到了許多東西，不但大大提高了動(dòng)手的能力而且也培養(yǎng)了我獨(dú)立完成任務(wù)的能力。樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信這會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。 6 電子元件清單 1. 數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱 2. 集成電路74LS48  3片； 74LS192  2片； 74LS175  2片 ； NE555&